Korea Ever-Power · Průvodce aplikačním inženýrstvím
Šnek a šnekové kolo pro automobilové řízení a regulátor oken
Každé auto na silnici obsahuje 4 až 12 párů šnekových kol – ve sloupku elektrického posilovače řízení, v každém ze čtyř ovladačů oken, v seřizovačích sedadel, střešním okně a ovladačích zrcátek. Jeden výrobce automobilů, který vyrábí 1,5 milionu vozidel ročně, spotřebuje 6 až 18 milionů párů šnekových kol. Při tomto objemu ušetří snížení nákladů o 0,02 USD na pár 120 000 až 360 000 USD ročně – a míra vad kvality 0,1 procenta vede k 6 000 až 18 000 reklamacím. Hromadná výroba transformuje specifikaci páru šnekových kol z inženýrského problému na statistickou výzvu v oblasti kontroly kvality.
Automobilové aplikace – elektrické posilovače řízení (EPS), regulátory oken, nastavovače sedadel, pohony střešních oken a aktuátory zrcátek – představují trh s šnekovými převody s nejvyšším objemem výroby na světě: 100 000 až 5 000 000 kusů ročně na aplikaci a na výrobce originálního vybavení (OEM). Matice kontroly kvality SPC pro hromadnou výrobu definuje cíle Cpk (index způsobilosti procesu) pro každý kritický rozměr šnekového převodu: Cpk 1,67 nebo vyšší pro bezpečnostně kritické parametry EPS (vůle, točivý moment), Cpk 1,33 nebo vyšší pro parametry kritické z hlediska šumu, vibrací a vyhřívání (NVH) (povrchová úprava, profil zubu) a Cpk minimálně 1,0 pro nekritické rozměry. Tento statistický přístup nahrazuje kontrolu jednotlivých dílů používanou v průmyslových aplikacích (články A01 až A29) statistickým ověřením na úrovni procesu – potvrzuje nikoli to, že každý díl splňuje specifikaci, ale že výrobní proces je statisticky neschopný vyrábět neshodné díly. Plastová kola z POM a PA66-GF jsou univerzální pro automobilové aplikace, protože poskytují výkon NVH, snížení hmotnosti a jednotkové náklady, které automobilová ekonomika vyžaduje.
Kde každé auto používá šnekové převody
Moderní osobní automobil obsahuje 4 až 12 samostatných párů šnekových kol napříč několika subsystémy. Každá aplikace sdílí tři společné požadavky: tichý provoz uvnitř prostoru pro cestující (hluk, vibrace a vibrace pod úrovní lidského vnímání), lehká konstrukce (každý gram ovlivňuje spotřebu paliva nebo dojezd elektromobilu) a spolehlivost automobilové úrovně (nulová poruchovost po dobu 10 až 15 let a více než 200 000 provozních cyklů). Každá aplikace má však také jedinečné požadavky, které odlišují specifikaci páru šnekových kol.
Funkce: Točivý moment motoru přenášený přes šnekové převody na sloupek řízení.
Točivý moment: 20 až 60 N·m asistence. Vůle: Pod 5 úhlových minut (pocit řízení).
Samosvorné: Základní – zabraňuje zpětné vazbě od vozovky, která by způsobovala zpětný tok motoru.
Kvalitní: Bezpečnostní parametry dle IATF 16949, PPAP úroveň 3, Cpk ≥ 1,67.
Objem: 1 na vozidlo. Život: 15 let / 300 000 km.
Funkce: Motor pohání okenní sklo nahoru/dolů pomocí lanového bubnu a šnekového převodu.
Točivý moment: 3 až 8 N·m. Hluk: Pod 42 dB(A) uvnitř kabiny.
Samosvorné: Základní – udržuje okno v poloze proti tlaku větru při jízdě na dálnici.
Kvalitní: IATF 16949, PPAP úroveň 3, Cpk ≥ 1,33 pro parametry NVH.
Objem: 4 na vozidlo. Život: Více než 40 000 cyklů.
Matice kontroly kvality SPC pro hromadnou výrobu – cílové hodnoty Cpk podle kritických parametrů
Při výrobě párů šnekových ozubených kol v průmyslu (články A01 až A29) se kvalita ověřuje kontrolou každého dílu podle specifikace – jedná se o 100% kontrolu, která je proveditelná při objemech 50 až 5 000 kusů ročně. Při objemech výroby v automobilovém průmyslu (100 000 až 5 000 000 kusů ročně) je 100% kontrola všech rozměrů ekonomicky nemožná. Dodavatelé pro automobilový průmysl místo toho používají k monitorování výrobního procesu SPC (Statistical Process Control – statistická kontrola procesů) – ověřují, zda procesní kapacita (Cpk) překračuje prahovou hodnotu, která statisticky zaručuje shodu.
Matice ukazuje, že kvalita šnekových převodů v automobilovém průmyslu je řízena na třech úrovních: parametry kritické z hlediska bezpečnosti (Cpk 1,67, méně než 1 vada na milion), které by při nedodržení specifikace způsobily selhání bezpečnosti vozidla, parametry kritické z hlediska NVH (Cpk 1,33, méně než 63 vady na milion), které by zákazníkem vnímatelné hluky nebo drsnost zvuku, a významné parametry (Cpk 1,0, méně než 2 700 na milion), které ovlivňují usazení sestavy, ale nikoli funkci ani vnímání zákazníkem. Dodavatel šnekových převodů pro automobilového výrobce originálního vybavení (OEM) musí tyto hodnoty Cpk prokázat během procesu schvalování výrobních dílů (PPAP) před zahájením výroby – a udržovat je po celou dobu životnosti výroby s průběžným monitorováním SPC.
Požadavky na hluk, vibrace a vibrace – tichý provoz uvnitř prostoru pro cestující
Prostor pro cestující v automobilu je v této sérii 30 článků nejtišším provozním prostředím pro šnekové převody – a paradoxně má i nejpřísnější specifikaci hluku. Nemocniční lůžko na JIP (článek A11) pracuje s hlučností nižší než 45 dB(A) v místnosti s hlukem pozadí 35 dB(A). Regulátor oken v automobilu musí pracovat s hlučností nižší než 42 dB(A) uvnitř kabiny, kde hluk pozadí při rychlosti na dálnici může být pouze 62 až 68 dB(A) – ale regulátor pracuje při zastavení a nízké rychlosti, kdy je v kabině hluk 35 až 45 dB(A), takže regulátor s hlučností 42 dB(A) je jasně slyšitelný. Prahová hodnota vnímání hluku šnekového převodu v tiché kabině je přibližně 38 dB(A) – což je cílová hodnota pro prémiová vozidla.
Plastová kola jako řešení hluku, vibrací a vibrací. POM (acetal) a PA66-GF (nylon vyztužený skelnými vlákny) jsou univerzální materiály pro kola pro automobilové šnekové převody, protože při nízkých točivých momentech typických pro automobilové aplikace (3 až 60 N·m) produkují o 10 až 15 dB(A) nižší hluk v záběru než bronz. POM je preferován pro ovládání oken a ovladače zrcátek (nejnižší hluk, dostatečná pevnost při 3 až 8 N·m). PA66-GF je preferován pro sloupky řízení z EPS (vyšší pevnost při 20 až 60 N·m, skleněná vlákna zvyšují pevnost v tahu o 40 procent oproti nevyztuženému PA66). Oba materiály stojí o 60 až 80 procent méně na kolo než bronz – což je zásadní pro cílové náklady v automobilovém průmyslu.
Korejský dodavatel automobilového průmyslu Tier 1, který vyrábí páry šnekových ozubených kol pro regulátory oken pro významného výrobce originálního vybavení (OEM) s roční produkcí 2,4 milionu kusů, zaznamenal ve třetím roce výroby prudký nárůst reklamací: 380 stížností na hluk PPM (zákazníci hlásili slyšitelné cvakání během ovládání okna). Vyšetřování vysledovalo hluk k odchylce profilu zubu na POM kole – proces vstřikování se v důsledku opotřebení dutiny formy posunul, což vedlo k odchylce 0,03 mm na boku zubu, která byla v rámci rozměrové tolerance (Cpk zůstal nad 1,0 pro daný rozměr), ale překročila prahovou hodnotu NVH. Rozměrový graf SPC nevykazoval žádný alarm – ale graf SPC hluku (100% testování hluku na konci linky, zavedené po incidentu) ukázal, že hluk měl vzestupný trend po dobu 6 týdnů předtím, než byly uplatněny reklamace. Nápravné opatření: přidat do plánu kontroly SPC testování hluku na konci linky (100% testování za 0,8 USD na jednotku – což představuje zvýšení výrobních nákladů o 1 920 000 USD ročně), renovovat dutiny forem v cyklu 500 000 zásahů (dříve 800 000 zásahů) a zpřísnit cílovou hodnotu Cpk profilu zubu z 1,0 na 1,33 pro kritický rozměr boku z hlediska NVH. Reklamace klesly na 12 PPM do 3 měsíců. Ponaučení: rozměrová shoda nezaručuje shodu s NVH – pár šnekových kol může být rozměrově v rámci tolerance, ale akusticky mimo specifikaci, protože citlivost na hluk závisí na geometrických interakcích (profil, stoupání, házení), které SPC jednotlivých rozměrů nezachycuje. Funkční testování na konci linky (hluk, točivý moment, vůle) je povinné pro páry šnekových kol automobilové třídy.
Tři případy specifikace párů šnekových převodů pro automobily
Případ 1 – Korejský dodavatel Tier 1: EPS s asistenčními sloupy, bezpečnostně kritické, 800 000 jednotek/rok
Korejský dodavatel automobilového průmyslu splňující normu Tier 1 specifikoval páry šnekových kol pro systém elektrického posilovače řízení sloupkového typu dodávaný korejskému výrobci originálního vybavení (OEM) pro 3 platformy vozidel s roční produkcí 800 000 kusů. Pomocný točivý moment EPS: maximálně 45 N·m. Motor: 12 V bezkartáčový stejnosměrný, 500 W. Pár šnekových kol: jednostupňový, modul 1,25, převodový poměr 16:1. Šnek: za studena kovaná uhlíková ocel s antikorozní vrstvou Geomet (nahrazuje zinkování pro prevenci vodíkového křehnutí), broušený Ra 0,3 µm. Kolo: PA66-GF30 (30% nylon vyztužený skelnými vlákny – nejpevnější plast dostupný pro automobilová šneková kola). Vůle: pod 5 úhlových minut (citlivost řízení). NVH: pod 40 dB(A) ve vzdálenosti 1 m (měřeno během závěrečné zkoušky PPAP). Požadavky na Cpk: vůle Cpk 1,67 (bezpečnostně kritické), točivý moment Cpk 1,67, profil zubu Cpk 1,33, hluk Cpk 1,33. PPAP úroveň 3 s kompletní rozměrovou zprávou, certifikací materiálu, vývojovým diagramem procesu, plánem řízení a počáteční studií procesních schopností. Cena za pár: 4,20 USD při ročním objemu 800 000 kusů. Roční příjem z této jediné aplikace: 3,36 milionu USD.
Případ 2 – Japonský dodavatel úrovně 2: regulátor oken, kritický z hlediska NVH, 3,2 milionu kusů/rok
Japonský výrobce šnekových převodů dodal páry ozubených kol pro regulátory oken japonskému dodavateli okenních modulů Tier 1 k distribuci na 5 platforem vozidel v objemu 3,2 milionu kusů ročně (4 okna na vozidlo × 800 000 vozidel). Výstupní točivý moment: 5 N·m. Motor: 12 V kartáčovaný stejnosměrný motor, 80 W. Šnekový převod: jednochodý, modul 0,8, převodový poměr 55:1. Šnek: za studena řezaná uhlíková ocel, fosfátovaný povlak, válcovaný závit (nebroušený – optimalizováno z hlediska nákladů pro velikost modulu 0,8, kde je broušení neúměrně drahé). Kolo: POM (acetal – zvolen před PA66 pro nižší hlučnost při nízkém zatížení 5 N·m a při této úrovni točivého momentu není potřeba skleněná vlákna). Vůle: pod 15 úhlových minut (méně kritická než EPS – poloha okna nevyžaduje přesnost na úrovni řízení). NVH: pod 42 dB(A) při 0,3 m (vzdálenost od panelu dveří k uchu cestujícího). 100% test hluku na konci linky při 3 provozních rychlostech (pomalá, střední, rychlá). Cena za pár: 1,85 USD při objemu 3,2 milionu kusů. Procházet automobilový šnekový reduktor možnosti pro EPS, stahovače oken a aplikace s pohony karoserie.
Případ 3 – Vietnamský výrobce náhradních dílů: univerzální motor okna, cenově orientovaný, 200 000/rok
Vietnamský výrobce automobilových náhradních dílů vyráběl univerzální motory elektricky ovládaných oken pro jihovýchodní asijský trh s náhradními díly v počtu 200 000 kusů ročně. Specifikace pro aftermarket byly méně náročné než u originálního vybavení (OEM): žádný PPAP, žádný formální požadavek Cpk, žádné testování hluku na konci linky. Cíl NVH: pod 50 dB(A) (zákazníci z aftermarketu tolerují o 6 až 8 dB(A) více hluku než kupující z originálního vybavení). Šnekové převodovky: jednochodé, modul 1, převod 50:1. Šnek: za studena řezaná uhlíková ocel, pozinkovaná, odvalovaný závit Ra 1,2 µm (bez broušení – cenová priorita). Kolo: POM (stejný materiál jako originální výrobek, ale tolerance vstřikování plastů snížená z plus/mínus 0,02 mm na plus/mínus 0,05 mm – levnější forma a delší životnost formy). Vůle: 20 až 30 úhlových minut (dostatečná pro funkci okna, není nutná přesnost na úrovni řízení). Kontrola kvality: kontrola rozměrů vzorku (5 za směnu) plus 10% namátková kontrola hluku. Cena za pár: 0,65 USD při objemu 200 000 kusů. Pár náhradních dílů za 0,65 USD sice poskytoval dostatečnou funkci stahování oken, ale nesplňoval specifikace výrobce (OEM) týkající se šumu, vibrací a vibrací (NVH) ani spolehlivosti – byl navržen pro 5letou životnost náhradních dílů / 20 000 cyklů oproti požadavku výrobce (OEM) na 15letou životnost / 40 000 cyklů.
Často kladené otázky
Otázka: Proč se u automobilových šnekových převodů používají plastová kola místo bronzových?
Tři důvody: hluk (POM a PA66 produkují o 10 až 15 dB(A) méně hluku v záběru než bronz – což je kritické pro hluk, vibrace a vibrace v prostoru pro cestující), hmotnost (plastová kola váží o 60 až 70 procent méně než bronz – což přispívá k cílům odlehčení vozidel) a cena (plastová kola za 0,15 až 0,40 USD oproti bronzovým za 1,50 až 4,00 USD za kolo – což je 5 až 10násobný cenový rozdíl, který je rozhodující při milionových objemech). Nevýhodou je trvanlivost: plastová kola mají kratší únavovou životnost než bronz při stejném točivém momentu a jsou citlivá na teplotu (PA66 ztrácí 30 procent své pevnosti při 120 stupních Celsia – k čemuž může docházet v blízkosti aktuátorů namontovaných v motorovém prostoru). Pro lehké zatížení a mírné teploty okenních regulátorů a seřizovačů sedadel je plast univerzálně dostačující.
Otázka: Co je PPAP a proč je důležitý pro dodavatele párů šnekových ozubených kol?
PPAP (Proces schvalování výrobních dílů) je metoda automobilového průmyslu pro ověřování, zda je dodavatel schopen konzistentně vyrábět díly, které splňují specifikaci. Podání PPAP pro pár šnekových kol obsahuje 18 prvků: konstrukční záznamy, dokumenty o technických změnách, rozměrové výsledky (úplné rozvržení 5 vzorků dílů), výsledky zkoušek materiálů, vývojový diagram procesu, PFMEA (Analýza způsobu a následků selhání procesu), plán kontroly, analýzu měřicího systému, počáteční studii způsobilosti procesu (data Cpk) a příkaz k předložení dílu podepsaný manažerem kvality dodavatele. Schválení PPAP musí být získáno před první dodávkou výroby – a musí být znovu předloženo, pokud se změní výrobní proces, materiál, nástroje nebo místo výroby. Dodavatel, který nedokáže dokončit PPAP, nemůže prodávat výrobcům originálního vybavení (OEM) v automobilovém průmyslu.
Otázka: Jak se liší šnekový převod v elektrickém posilovači řízení od průmyslových aplikací?
Šnekové převody EPS jsou obousměrné (řidič může přepsat asistenci motoru otočením volantu, čímž se šnek pohne zpět skrz kolo) – na rozdíl od průmyslových samosvorných párů, u kterých je zpětnému pohybu zabráněno. Šnek EPS má o něco vyšší úhel předstihu (blíže k hranici úhlu tření), což umožňuje zpětný pohyb s mírným úsilím a zároveň poskytuje dostatečné samosvorné napětí, které zabraňuje tomu, aby se zpětná vazba od vozovky dostala k řidiči. Tato konstrukce s vyváženým úhlem předstihu je pro EPS jedinečná – žádná jiná aplikace šnekových převodů záměrně nepracuje v blízkosti hranice samosvorného řízení. Hranice je malá: příliš mnoho samosvorného řízení a řízení se zdá těžké; příliš málo a vibrace od vozovky se přenášejí na kolo.
Otázka: Jaký objem výroby ospravedlňuje výrobu nástrojů automobilové třídy pro páry šnekových ozubených kol?
Objem, který dosahuje bodu zvratu pro výrobu v automobilovém průmyslu (specializované vstřikovací formy pro plastová kola, nástroje pro kování za studena pro ocelové šneky, automatizované montážní a testovací linky), je obvykle 50 000 až 100 000 kusů ročně. Pod tímto objemem náklady na amortizaci nástrojů na kus převyšují úspory z hromadné výroby – a průmyslová obráběná výroba je nákladově efektivnější. Nad 100 000 kusů náklady na kus prudce klesají s objemem: kolo z POM stojí přibližně 0,35 USD při objemu 100 000 kusů, 0,20 USD při 500 000 kusech a 0,12 USD při 3 milionech kusů. Náklady na šneky sledují podobnou křivku, ale s nižším sklonem (ocelové nástroje pro kování za studena jsou dražší, ale vydrží déle než plastové formy).
Otázka: Jaká je typická míra reklamací u automobilových šnekových převodů?
Dodavatelé OEM třídy zaměření na korejské, japonské a evropské výrobce originálního vybavení (OEM) usilují o celkovou míru reklamací pod 50 PPM (všechny režimy selhání dohromady) po celou záruční dobu vozidla (obvykle 5 let / 100 000 km). Prémioví výrobci OEM (německé luxusní značky) usilují o méně než 10 PPM. Nejčastějším režimem selhání šnekových převodů je hluk – dvojice funguje mechanicky, ale produkuje zákazníkem vnímatelný zvuk, který spouští reklamaci. Reklamace hluku obvykle představují 60 až 80 procent celkového objemu záruk na šnekové převody. Mechanické závady (zlomení zubů, nadměrná vůle) představují 10 až 20 procent. Zbývající reklamace se týkají životního prostředí (vniknutí vody těsněními dveří, poškození regulátoru oken, koroze v pobřežním podnebí).
Automobilové páry šnekových převodů představují segment globálního trhu se šnekovými převody s nejvyšším objemem výroby, nejnižší kvalitou a nejvyšší cenově konkurenceschopností – 6 až 18 milionů párů ročně od jednoho významného výrobce originálního vybavení, řízených procesní kapacitou SPC (Cpk 1,33 až 1,67) spíše než individuální kontrolou, a ceny se pohybují od 0,65 do 4,20 USD za pár oproti 50 až 15 000 USD pro průmyslové aplikace uvedené v článcích A01 až A29. Matice kontroly kvality SPC převádí klasifikaci kritičnosti automobilového průmyslu (kritické z hlediska bezpečnosti, kritické z hlediska NVH, významné) do cílů Cpk a testovacích metod, které řídí každý rozměr, každý povrch a každou akustickou charakteristiku každého vyrobeného páru. Plastová kola (POM, PA66-GF) jsou univerzální volbou materiálu, protože poskytují tichost z hlediska NVH, snížení hmotnosti a jednotkové náklady, které vyžaduje automobilová ekonomika – kompromis, který žádná průmyslová aplikace v této řadě nesdílí.
Pro dodavatele automobilového průmyslu úrovně Tier 1 a Tier 2 poskytuje naše technické oddělení páry šnekových ozubených kol připravené pro PPAP s dokumentací SPC, zprávami o způsobilosti procesu a protokoly o testování na konci linky. Standardní katalog automobilové šnekové převodovky Pokrývá aplikace EPS, regulátorů oken, seřizovačů sedadel a aktuátorů karoserie od modulu 0.6 do 2.0 s možností kol z POM a PA66-GF. Odešlete specifikace automobilového pohonu s typem aplikace, ročním objemem, cílovou hodnotou NVH a požadovanou úrovní PPAP.
Specifikace párů šnekových převodů pro automobilový průmysl OEM nebo aftermarket?
Zašlete typ aplikace (EPS, okno, sedadlo, střešní okno, zrcátko), roční objem, cílovou hodnotu NVH, klasifikaci kritičnosti, úroveň PPAP a požadavek IATF 16949. Poskytneme specifikaci ověřenou SPC s dokumentací o způsobilosti procesu.
Střihač: Cxm
